EMI和分层设计实用教案

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1、3.1/tr600MHz当频率高于600MHz时，去耦电容器中存在的引线电感与电容器产生的自谐振，开始限制这一技术的频率范围，使去耦电容器失效。1987年YablonovitchE和JohnS提出了周期光子带隙结构（PhotonicBand-GapPBG），即光子晶体的概念.所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身(bnshn)存在“禁带”。它在接地板上腐蚀出由一定几何图形的单元组成的周期性阵列结构,用以改变衬底的有效介电常数分布,从而改变了传输线的分布参数模型，在一定频段内传播模式也随之改变，从而具有带隙特性。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围

2、已扩展到微波波段。微波波段的带隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-GapEBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全倚靠自身结构就可实现带阻滤波，抑制SSN噪声,且结构简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。由于光子晶体中折射率在空间上必须为周期性的函数，因此光子晶体按照空间维度可以区分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。第1页/共66页第一页，共67页。现代高速数字电路的同步开关噪声频带(pndi)通常为100MHz到10GHz，为了有效消除如此宽频的噪声，人们已经采用许多种手段来拓展EBG结构的阻带，而大多数同步开噪声主要存

3、在于低频段。因此如何降低阻带的下限截止频率，同时保持较宽的阻带带宽是设计的初衷。33矩形单位晶格阵列印刷电路板中的电源分配系统但是，由于PBG结构模型较复杂，参数也较繁杂，所以在实践应用上受到了一定限制。韩国学者等人在研究光子带隙结构基础上于1999年提出了缺陷接地结构“DefectedGroundStructure(DGS)”。和光子带隙结构类似,缺陷接地结构也能使得微带线具有带隙(bandgap)特性和慢波(slow-wave)特性，。从而可以被应用于:抑制SSN噪声、提高天线增益和带宽、改善效率、提高Q值、制作低通滤波器、功分器等方面。和EBG结构比较,DGS结构简单,易于电磁场理论分析

4、和等效电路建模分析，更适于微波毫米波集成电路实际应用。这是因为，DGS结构仅由1个缺陷单元构成，它的带隙中心频率仅由该缺陷单元结构决定。而EBG结构是由若干个单元组成的阵列构成，它的带隙中心频率由阵列间距、排列(pili)方式和几何结构等诸多因素决定。第2页/共66页第二页，共67页。现用扇形取代正方形，构造出形如蝴蝶结形的DGS结构的缺陷单元，如图所示，并应用于:抑制SSN噪声。虚线部分为蝴蝶结形DGS结构。用普通光刻工艺刻蚀在接地板（或电源平面）上。该DGS结构的缺陷单元具有3个调整要素，即扇形半径L、扇形夹角和连接2个扇形的缝隙宽度g。由于缺陷的存在，改变了电路板介质材料介电常数的分布，

5、从而改变了微带线的有效电感和有效电容，使得由DGS构成的微带线表现出阻带特性。取其扇形半径L为、扇形夹角为60，缝隙宽度g为，考虑抑制深度为时，由仿真曲线结果可知S21为，有效阻带带宽为。蝴蝶结形DGS结构各要素对阻带特性的影响如下：1)缝隙宽度g的影响取其扇形半径L为、扇形夹角为60，改变缝隙宽度g为，和，对阻带特性的影响如图所示。对应的带隙中心频率分别为，和。随着缝隙宽度g的增加(zngji)，带隙中心频率相应提高。这是因为，缝隙宽度g的增加(zngji)，等效于有效电容减小。第3页/共66页第三页，共67页。2）扇形半径L的影响取其缝隙(fngx)宽度g为、扇形夹角为60，改变扇形半径L

6、为1mm、和3mm，阻带特性的影响如图。对应的带隙中心频率分别为，和。随着扇形半径L的增加，带隙中心频率相应降低。这是因为，扇形半径L的增加，缺陷面积增大，等效于有效电感增大，导致带隙中心频率降低。3）扇形夹角的影响取其扇形半径L为、缝隙(fngx)宽度g为、改变扇形夹角分别取30，60和90，阻带特性的影响如图所示。对应的带隙中心频率分别为，和。随着扇形夹角的增加，带隙中心频率相应降低。这是因为，扇形夹角的增加，缺陷面积增大，等效于有效电感增大，导致带隙中心频率降低。图缝隙宽度g对阻带特性的影响(yngxing)图扇形半径L对阻带特性的影响(yngxing)第4页/共66页第四页，共67页。

7、综上所述，可以通过改变L、g和，实现不同要求的带隙中心(zhngxn)频率，不同尺寸的DGS带阻特性总结于表所列：表不同尺寸的DGS微带线带阻特性总结（r，）图扇形夹角对阻带特性(txng)的影响第5页/共66页第五页，共67页。2.5高速电路板设计与信号完整性目前，国内外有关信号完整性(signalintegrity，SI)的研究尚未成熟，其分析方法和实践都没有很好地完善。在基于信号完整性的PCB设计方法中，核心部分就是(jish)PCB板级信号完整性模型的建立，这是与传统设计方法的主要区别。SI模型的准确性将决定设计的正确性，而SI模型的可建立性则决定了设计方法的可行性。PCB是实现信号传

8、输的通道，把信号从一个芯片传输到另一个芯片。PCB设计的好坏直接影响信号传输的性能。在高速系统中，能否处理好系统的信号互连，解决信号完整性的问题，是系统设计成功的关键，也是解决电源完整性、电磁兼容与电磁干扰(EMC/EMI)问题的基础和前提。同时，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得，所以，PCB应实现稳定的电源分配此外，PCB还应能抑制EMI增强抗扰度.总之，PCB的SI/PI/EMC/EMI性能面临越来越多的挑战第6页/共66页第六页，共67页。在PCB设计中,SI/PI/EMI是密切连系,相互影响的.高速(os)信号前后沿所携带的高频分量,以及电源和地噪声引起的共模辐射

9、,会引发EMI辐射;高速(os)信号由于过孔换层或跨越电源面分割,造成的阻抗不连续,引起信号回流路径不理想,造成PI问题.PCB电源或地平面固有的谐振模式被激发也会引起S参数的变化,引起SI问题.EMI的传导和辐射骚扰也会造成电源波动或信号恶化,产生SI/PI问题.所以,同时针对这三个方面进行考察和控制,是高性能PCB系统仿真和设计的必然趋势.第7页/共66页第七页，共67页。1.高速电路设计的特点高速电路设计强调无源元件互连线,PCB,IC封装等对信号传播的影响(振荡和反射),对信号间相互作用的影响(串扰),及对外界的作用(电磁骚扰)等。随着传输信号频率的提高,必须用电磁波的观点看待电路中传

10、输的信号.高速电路系统工作于较高的时钟频率,信号传输的频率由信号的上升或下降沿决定,而不是由系统的时钟频率来决定.因此,导线就不能被看作是集总参数系统条件下的理想导线,而应被看作是具有分布参数系统条件下的传输线.必须考虑信号反射的影响.反射信号与入射信号的迭加使得信号波形发生畸变( jbin).上升或下降沿越小,信号传输时的频率就越高,这种不良作用就会越大.第8页/共66页第八页，共67页。如果系统尺寸为S由tpd=Stpdo当tr6tpd或tpdtr/6则称为(chnwi)集总参数系统.反之,如果tr6tpd或tpdtr/6则称为(chnwi)分布参数系统.(参考书:HowardJohnso

11、n,MartinGraham:高速数字设计)第9页/共66页第九页，共67页。2传输线传输线是由信号路径和返回路径两条有一定长度的导线组成,而不再使用地这个词。信号可以被定义成电压或电流.信号总是指信号路径和返回路径之间相邻两点的电压差.如信号在走线上的传输延时tpdtpdtr/6或tr6tpd则该走线判定为分布参数系统,即传输线。必须用电磁波的观点看待电路中传输的信号.传输线不是理想的导体(dot)，它们都有有限的电阻，电阻的大小由传输线的长度和横截面积决定。同样的在传输线之间的介质也不可能是理想的绝缘体，漏电流总是存在的，可以用单位长度传输线的漏电导来衡量。此外,还存在电感和电容.第10页

12、/共66页第十页，共67页。第11页/共66页第十一页，共67页。1)传输线类型:传输线包括信号路径和返回路径.在中间层的印制线条形成带状线,在表面层形成微带线,两者传输特性不同。(a)微带线:PCB外层的走线,只有一根带状导线和一个参考面.类型:埋式或非埋式.如果线的厚度,宽度,介质的介电常数以及与参考面之间的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的.(b)带状线:介于两个参考面之间的内层走线.类型:埋式或非埋式.如果线的厚度,宽度,介质的介电常数以及与参考面之间的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的.带状线的场吸收能力强,抗骚扰(soro)能力强.适宜布设易被骚扰(soro)的模拟电路走线

13、.(c)同轴电缆(Zc=75时传输损耗最小，30时承受功率最大，两者综合，选择50)(d)双绞线(Zc=100-130)线路阻抗用:时域反射计(TDR),阻抗分析仪(VIA),网络分析仪(VNA)测试.第12页/共66页第十二页，共67页。 第13页/共66页第十三页，共67页。0第14页/共66页第十四页，共67页。0第15页/共66页第十五页，共67页。第16页/共66页第十六页，共67页。2)传输线参数数字电路之间用来传输信号的路径称为互连线.tr越小,相应频率越高.互连线不再是简单的导线或信号线,而是由R,L,C,G组成,呈现高频效应(xioyng)的传输线.(a)传输线微分段等效电路

14、模型(长度为dz的RLCG模型):Rdz导体有限电阻引起的损耗;Gdz分隔导体和地层的介质的有限电导引起的损耗;Ldz磁场;Cdz导体和地层之间的电场.第17页/共66页第十七页，共67页。第18页/共66页第十八页，共67页。(b)特性阻抗Zc:线上任意点电压波和电流(dinli)波的比值,即V/I=Zc.因此,Zc=(Z/Y)=(R+j L)/(G+j C)=(L/C)第19页/共66页第十九页，共67页。(c)传输速度v=1/(oo)(m/s),传输延迟tpd=s/v(ns),自由空间传播速度v0=1/(oo)=3108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v0=3.33(ns/m)

15、=3.33(ps/cm).填充(tinchng)特氟纶r的同轴电缆,v=v0/r108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=4.8(ns/m)=48.3(ps/cm).FR-4PCB,r=4.7,带状线,v=v0/r108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=7.2(ns/m)=72.3(ps/cm).微带线由于部分位于空气中,部分位于电介质中,介电常数平均值r=(1+4.7)/2=2.85,传播速度v=v0/r=1.777108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=5.6(ns/m)=56.3(ps/cm).也可按有效介电常数r=(r+1）/2+(r-1）/2/1+1

16、0h/w计算。第20页/共66页第二十页，共67页。3)3)传输线效应 传输线效应指的是: :传输过程中的任何不均匀( (如阻抗变化、直角拐角) )都会引起信号的反射，反射的结果对模拟信号（正弦波）是形成驻波，对数字信号则表现为上升沿、下降(xijing)(xijing)沿的振铃和过冲。这种过冲一方面形成强烈的电磁干扰和对信号完整性的影响. .例如: :信号在不匹配的传输线两端来回反射形成振铃, ,上冲和下冲. .因此, , 需要优化拓扑结构, ,调整互连线阻抗和端接阻抗,PCB,PCB尺寸及板层参数, ,以满足信号完整性要求. .第21页/共66页第二十一页，共67页。第22页/共66页第二

17、十二页，共67页。单调(dndio)性第23页/共66页第二十三页，共67页。噪声容限第24页/共66页第二十四页，共67页。第25页/共66页第二十五页，共67页。第26页/共66页第二十六页，共67页。振铃和多次跨越逻辑电平(dinpn)阈值第27页/共66页第二十七页，共67页。4)传输延迟和阻抗匹配信号从驱动端到达接收端,再由接收端回到驱动端的传输延时tpd,大于1/6上升或下降时间tr,即tpdtr/6或tr6tpd为高速信号.反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端,如果反射信号很强,叠加后的波形就可能改变逻辑状态.该走线为分布参数系统条件(tiojin)下的传输线。反之,如果传输延

18、时tpd小于1/6上升或下降时间tr,即tpdtr/6或tr6tpd则为低速信号.来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前到达驱动端,叠加的波形不会改变逻辑状态;这种信号线可不作为传输线处理.而是集总参数系统条件(tiojin)下的理想导线.为了实现信号完整性,必须缩短S,并进行阻抗匹配.例如,必须缩短时钟线.而且,尽量不换层,以保持匹配。第28页/共66页第二十八页，共67页。例:微带线由宽为100mil,位于厚62mil的FR-4(r=4.7)基板上.L0H/m,C0=pF/m.有效介电常数( jidinchnsh)r=3.54.特性阻抗Zc=L0/C0.传播速度v=v0/108m/s.传

19、输线总长S=20cm,单向时延tpd=S/v=20cm/108m/s=1.25ns.源由2.5V,25MHz脉冲串表示,具有tr=2ns,50%占空比,源阻抗25,负载为5pF.不匹配产生振铃.第29页/共66页第二十九页，共67页。第30页/共66页第三十页，共67页。5）如何(rh)判断高速信号?第31页/共66页第三十一页，共67页。传输速度v=1/(oo)(m/s),传输延迟tpd=s/v(ns),自由空间传播速度v0=1/(oo)=3108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v0=3.33(ns/m)=3.33(ps/cm).填充特氟纶r的同轴电缆,v=v0/r108(m/s)

20、,单位长度传输延迟tpd0=1/v=4.8(ns/m)=48.3(ps/cm).FR-4PCB,r=4.7,带状线,v=v0/r108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=7.2(ns/m)=72.3(ps/cm).微带线由于部分(bfen)位于空气中,部分(bfen)位于电介质中,介电常数平均值r=(1+4.7)/2=2.85,传播速度v=v0/r=1.777108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=5.6(ns/m)=56.3(ps/cm).也可按有效介电常数r=(r+1）/2+(r-1）/2/1+10h/w计算。第32页/共66页第三十二页，共67页。高速信号的确定BW

21、=1/tr,BW=f0 15,f0时钟(shzhng)重复频率tr 6tpd=6 S tpdo,S信号线长度即为高速信号,需进行仿真tr可用示波器测量，或由手册查出例：Fr-4PCB带状线( r=4)中信号的传播速度15.24(cm/ns);单位长度带状线中信号的延迟时间为tpdo=0.066(ns/cm)例；Fr-4PCB带状线,Z0=60tpd0=0.065(ns/cm).例：Fr-4PCB微带线w=10mils,T=1mils,H=30mils,Z0tpd0需要注意的是：“高速”设计并不是只适用于以较高时钟(shzhng)速率运行的设计，随着驱动器的上升和下降时间缩短，信号完整性和EMC

22、问题就会加大。如果所用芯片的信号和时钟(shzhng)边沿速率为1至2ns或更快，即使时钟(shzhng)运行在几兆赫,也要考虑。第33页/共66页第三十三页，共67页。 阻抗匹配方法有: 串联(chunlin)电阻 并联电阻 戴维南网络 RC网络 二极管阵等。3.阻抗匹配为了实现信号(xnho)完整性，必须缩短S并进行阻抗匹配.第34页/共66页第三十四页，共67页。第35页/共66页第三十五页，共67页。 戴维宁端接戴维宁端接(dun ji)(dun ji)采用(ciyng)上拉下拉电阻R1和R2，通过R1和R2吸收反射。第36页/共66页第三十六页，共67页。 AC AC端接端接(dun

23、 ji)(dun ji)在戴维宁端接基础上串接电容(dinrng)，这样直流分量为0，可以减少直流消耗。缺点是由于电容(dinrng)增加了信号的延迟，复杂度提高,且要求逻辑0，1的对称性较好Z0RTZ0CTbasedonfrequency第37页/共66页第三十七页，共67页。二极管端接二极管端接(dun ji)(dun ji)适合阻抗难以(nny)匹配以及多驱动多负载的复杂情况缺点是要求二极管具有很高的导通速率，且因二极管的非线性将导致信号频谱的畸变，影响信号质量Z0+V(GND-0.7)VIN 600MHz。实现不同要求的带隙中心频率，不同。(b)特性阻抗Zc:线上任意点电压波和电流波的比值,即。适合阻抗难以匹配以及多驱动多负载的复杂情况。dt等于电流的上升或下降时间tr，dI/dt引出了信号(xnho)完整性问题。感谢您的观看第六十七页，共67页。